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Main Title: Assessing recycling strategies for critical raw materials in waste electrical and electronic equipment
Translated Title: Recyclingstrategien für kritische Rohstoffe in Elektro- und Elektronikaltgeräten
Author(s): Ueberschaar, Maximilian
Advisor(s): Rotter, Vera Susanne
Referee(s): Rotter, Vera Susanne
Flamme, Sabine
Antrekowitsch, Helmut
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Has Part:
Abstract: The circular economy is a strategy for reducing risks that result from the criticality of commodities in our economic system. Therefore, anticipatory planning of recycling infrastructure must consider the historical and future use of metals as well as detailed product characterizations. For bulk materials like plastics, industrial base metals (IBMs) such as steel, aluminum, copper, and precious metals (PM), e.g. gold, silver, palladium, well-established methodologies and a profound knowledge base exist that enable a detailed process modeling. Similar information is missing for a selected set of critical raw materials (S-CRMs), which are applied to a large extent in modern electrical and electronic equipment (EEE). Although, being highly important for the producing industry and being related to potential future supply risks, a functional recycling from waste electrical and electronic equipment (WEEE) is currently not practiced. This doctoral thesis focuses on the provision of WEEE product-centric information with a special emphasis on S-CRMs via the consolidation and further development of available methods to support the derivation of recycling strategies. Research is needed explicitly for gallium in integrated circuits (ICs), indium applied as indium tin oxide (ITO) in liquid crystal displays (LCD), rare earth elements (REEs) used in NdFeB magnets applied in hard disk drives (HDDs), and tantalum in tantalum capacitors applied on printed circuit boards (PCBs). Following a consecutive methodology, in a first step, S-CRMs will be identified and localized in WEEE flows via material flow analysis (MFA), and single WEEE products via recycling-oriented product characterization. In a second step, theoretically available mass flows of these S-CRMs and by-applied materials are quantified for EEE put-on-market (worldwide/Germany) and WEEE collected (Germany) in 2013. Recyclability of S-CRMs in selected WEEE applications is assessed via customized recycling processes. Data are then collated in a recycling barrier analysis investigating the framework for a successful recovery of S-CRMs. WEEE flow results indicate a lower relevance of S-CRM recovery from WEEE, as significantly higher yields can be gained by reducing losses in the primary production of S-CRMs, in subsequent refining steps, and in the manufacture of semi-finished products. However, supply risks typically accompanying the primary production routes of S-CRMs indeed suggest considering S-CRMs recycling from WEEE. Current recycling strategies of WEEE are solely optimized for the recovery of bulk and valuable materials. Results on the general pre-processing of WEEE show that S-CRM recovery is not the core focus, which results in their dilution with other materials in mechanical treatment. A later S-CRM recovery from generated output fractions is hardly possible. Together with the loss of S-CRMs, other valuable materials, such as gold or copper, are lost within those output fractions as well, due to limited liberation and separation techniques in mechanical treatment. Results from WEEE product analyses confirm the earlier indicated lower relevance of S-CRM recovery, as the mass fractions in the WEEE devices is rather low. However, selected liberated components contain high S-CRM mass fractions of up to 30-50% and are worth further end-of-life treatment. The typical design of WEEE devices often impedes a feasible recycling of the S-CRMs. Also, the technical identification of smaller components (e.g. tantalum capacitors and in particular ICs), which contain S-CRMs, is complex due to lacking well identifiable characteristics. Chemical analyses prove heavily fluctuating mass fractions of S-CRMs in WEEE components. Furthermore, they have a limited selectivity, as with the removal of materials carrying S-CRMs, other elements are unintentionally removed. This applies to valuable materials such as gold, copper in ICs and silver in tantalum capacitors. Also, contaminating elements are affected such as nickel in NdFeB magnets or even toxic heavy metals such as arsenic, chromium, lead, and antimony in LCD panels. Resulting from WEEE flow and WEEE product analyses, theoretically available mass flows of gallium from ICs, of indium from LCD panels, of REEs from NdFeB magnets in HDDs and of tantalum from tantalum capacitors are estimated. Results show that WEEE cannot solely cover the S-CRM demand to produce new similar goods currently occurring on the market. Furthermore, the subsequently performed recyclability assessments reveal that S-CRMs cannot be recycled with current practice. However, within this thesis individual approaches are presented, which enable the concentration of S-CRMs and other by-applied materials to provide them for appropriate end-processing steps. For instance, a thermal treatment of ICs, manual removal of tantalum capacitors and a chemical fractionation of LCD panels show promising recycling processes for liberation and separation of components and materials carrying S-CRMs. In conclusion, the generated fundamental product-centric information for WEEE products allows for the development of recycling strategies and supports the holistic recovery of all materials applied in WEEE such as S-CRMs, PMs, IBMs, and other bulk materials. Thus, an extension with additional non-product-related information enables the further development of general political recycling strategies implemented e.g. in the European WEEE directive, national laws or in in-house business plans of recycling facilities. Also, technical and economic recycling strategies are supported, which are used for the technical set-up in recycling plants and the selection of materials to be recovered in context of processing costs and expected revenues.
Kreislaufwirtschaft ist eine Strategie zur Verringerung von Risiken, die sich aus der Kritikalität von Rohstoffen innerhalb unseres Wirtschaftssystems ergeben. Eine vorausschauende Planung der Recyclinginfrastruktur muss die historische und zukünftige Nutzung von Metallen mit Hilfe von detaillierten Produktcharakterisierungen berücksichtigen. Für Massenwaren wie Kunststoffe, industrielle Basismetalle (IBMs) wie etwa Stahl, Aluminium, Kupfer oder Edelmetalle (PMs), z. B. Gold Silber, Palladium, etablierte Methodik und eine fundierte Wissensbasis existieren, die eine detaillierte Prozessmodellierung ermöglichen. Adäquate Informationen fehlen indes für ein ausgewähltes Set von kritischen Rohstoffen (S-CRMs), die zu großen Anteilen in modernen Elektro- und Elektronikgeräten (EEE) eingesetzt werden. Obwohl diese kritischen Rohstoffe wichtige Grundstoffe für die produzierende Industrie sind und künftig Versorgungsrisiken bestehen, wird derzeit kein funktionelles Recycling dieser Stoffe aus Elektro- und Elektronikaltgeräten (WEEE) praktiziert. Diese Dissertation fokussiert sich auf die Bereitstellung von produktzentrischen Information über WEEE mit einem besonderen Schwerpunkt auf S-CRMs, um durch die Konsolidierung und Weiterentwicklung verfügbarer Methoden die Ableitung von Recyclingstrategien zu ermöglichen. Forschungsbedarf bei S-CRMs besteht im Wesentlichen immer noch für Gallium in integrierten Schaltkreisen (ICs), Indium in Indiumzinnoxid (ITO) in Flüssigkristallanzeigen (LCD), Seltenerdelemente (SEE) in NdFeB Magneten in Festplatten und Tantal in Tantalkondensatoren, eingesetzt auf Leiterplatten. Einer konsekutiven Methodik folgend werden in dieser Arbeit in einem ersten Schritt S-CRMs in WEEE Massenflüssen durch Materialflussanalysen (MFA) und in WEEE-Produkten durch eine Recycling-orientierte Produktcharakterisierung identifiziert. In einem zweiten Schritt werden die theoretisch verfügbaren Massenströme, die durch neue Produkte auf den Markt gebracht werden mit den Massenströmen verglichen, die durch die formelle Sammlung von WEEE dem Recycling als Potenzial zur Verfügung stehen. Es folgt eine praktische Bewertung der Rezyklierbarkeit von S-CRMs und anderer eingesetzter Materialien in WEEE-Produkten. Final werden alle generierten Informationen in einer Recyclingbarrieren-Analyse zusammengefasst, mit externen Daten erweitert, um die generellen Rahmenbedingungen für das Recycling von S-CRMs darzustellen. Ergebnisse aus den Massenflussanalysen zeigen nur eine geringe Relevanz der S-CRM Recyclingpotenziale in WEEE, da deutlich höhere Potenziale durch die Verringerung von Verlusten in der Primärproduktion ausgeschöpft werden können. Allerdings ergibt sich durch künftige Versorgungsrisiken die Notwendigkeit auch aus WEEE zu rezyklieren. Die derzeitigen Recyclingstrategien von WEEE sind grundsätzlich auf die Rückgewinnung von Massen- und stark werthaltigen Materialien ausgelegt. Ergebnisse aus der Massenflussanalyse in einer Erstbehandlungsanlage zeigt, dass S-CRMs sich in der mechanischen Aufbereitung stark in den Hauptstoffströmen verdünnen. Eine spätere Rückgewinnung ist kaum möglich. Dies gilt allerdings auch für andere, stark werthaltige Materialien wie Gold, Silber oder Kupfer, da die Zerkleinerungs- und Trenntechniken der mechanischen Aufbereitung stark begrenzt sind. Ergebnisse aus den WEEE Produktanalyse bestätigen die Annahme der geringen Relevanz des S-CRMs Recyclings, die die Massenanteile in WEEE Produkten gering sind. Jedoch können durch gezielte Liberalisierung einzelner Bauteile und Materialien hohe S-CRM Massenanteile von bis zu 30-50% erreicht werden, die eine weitere Aufbereitung wert sind. Hierbei spielt das Produktdesign eine große Rolle, da es das funktionale Recycling eher behindert. Dies ist vor allem durch die komplexe technische Identifikationsmöglichkeit kleinerer Komponenten (z. B. Tantalkondensatoren oder ICs) zu erklären. Chemische Analysen zeigen stark schwankende Massenanteile der S-CRMs in WEEE Geräten und Komponenten. Darüber hinaus konnte eine stark begrenzte Selektivität bei der gezielten Separierung S-CRM haltiger Bauteile nachgewiesen werden. Andere Stoffe, teilweise wertvolle Edelmetalle, werden unter Umständen abgetrennt. Diese gilt allerdings auch für Kontaminanten, die Rückgewinnungsprozesse stören können. Ergebnisse der Analyse der theoretisch verfügbaren Massenströme zeigen, dass ein Recycling von WEEE momentan nicht die Nachfrage an S-CRMs für die Herstellung momentan auf den Markt gebrachter neuer Geräte decken kann. Die Rezyklierbarkeitsanalyse zeigt, dass aktuelle Recyclingsysteme dieses Recycling nicht leisten kann. Im Rahmen dieser Arbeit werden jedoch individuelle Ansätze vorgestellt, die eine Aufkonzentration von S-CRMs und anderen eingesetzten Materialien ermöglichen. Es lässt sich zusammenfassen, dass die erarbeiteten produktzentrischen Informationen die Entwicklung von Recyclingstrategien für WEEE Produkte ermöglichen und hierbei einen ganzheitlichen Ansatz fördern. Ein Fokus auf S-CRM Recycling sollte nicht gesetzt werden, da nur das ganzheitliche Recycling ökonomische und ökologische Vorteile bringt. Durch die Erweiterung der in dieser Arbeit generierten mit externen, nicht produktzentrischen Informationen können politische Recyclingstrategien, wie zum Beispiel verankert in Gesetzgebung (Europäische WEEE Richtlinie, Elektro-G) oder in individuellen Businessplänen von Recyclingbetrieben entwickelt werden. Darüber hinaus werden technische und ökonomische Recyclingstrategien unterstützt, die direkt die Auswahl der zurückzugewinnenden Materialien beeinflussen und somit das technische Set-Up von Recyclingprozessen innerhalb der Recyclingkette im Zusammenhang der Prozesskosten und der erwarteten Erlöse definieren.
Exam Date: 9-Jun-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 20-Sep-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Subject(s): WEEE
critical raw materials
technology metals
kritische Metalle
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Series: ITU-Schriftenreihe
Series Number: 35
ISBN: 978-3-86948-582-9
ISSN: 1864-5984
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